Физико-химические аспекты переноса заряда в системе "субстрат - бактериальные клетки Gluconobacter oxydans - медиатор - электрод" в биотопливном элементе

• Автор: Алферов, Сергей Валерьевич
• Шифр специальности: 03.01.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 127 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1Л .Устройство и принципы функционирования биотопливных элементов

1.1.1 Конструкция ячейки БТЭ

1.1.2. Электроды используемые в БТЭ

1.1.3. Мембраны, используемые в БТЭ

1.1.4. Схема работы ячейки и перенос заряда в БТЭ

1.2 .Биотопливные элементы, основанные на микроорганизмах

1.3 .Микробные медиаторные биотопливные элементы

1.3.1. Взаимодействие медиаторов с микроорганизмами
1.3.2 Краткая характеристика применяемых медиаторов
1.4 .Характеристики БТЭ и факторы, влияющие на работу элемнта
1.5 . Модели МБТЭ
1.6 .Особенности метаболизма и физиологии Gluconobacter oxydans
1.6.1. Особенности рода Gluconobacter
1.6.2. Метаболизм
1.6.3. Дыхательная цепь Gluconobacter oxydans
1.6.4. Мембраносвязанные дегидрогеназы Gluconobacter oxydans
1.6.5. Окисление сахаров и этанола клетками Gluconobacter oxydans.
1.6.6. Образование глюконата и кетоглюконатов
1.6.7. Применение Gluconobacter oxydans в биосенсорах
1.6.8. Биосенсоры на основе целых клеток Gluconobacter oxydans
1.6.9. Биосенсоры на основе дегидрогеназ
1.7 .Заключение
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Реактивы
2.2. Микроорганизмы и их культивирование

2.3. Приготовление графитовых электродов, модифицированных
бактериями Esherichia coli JM
2.4. Амперометрические измерения
2.5. Формирование ячейки биотопливного элемента
2.6. Подготовка анодного отделения
2.7. Электрохимические измерения
2.8. Субстратная специфичность бактерий
2.9. Влияние температуры на генерацию потенциала БТЭ
2.10. Влияния pH буферного раствора:
2.11. Спектрофотометрические измерения
2.12 Биосенсорные измерения
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
ГЛАВА 3. ВЫБОР МЕДИАТОРА ЭЛЕКТРОННОГО ТРАНСПОРТА И
ОЦЕНКА ЕГО ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ
ГЛАВА 4. ПРОФИЛЬ СУБСТРАТНОЙ СПЕЦИФИЧНОСТИ КЛЕТОК GLUCONOBACTER OXYDANS И ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕДИАТОРОВ С ЦИТОХРОМАМИ
ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ
ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ГЕНЕРАЦИЮ
ПОТЕНЦИАЛА В МАКЕТЕ БИОТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
ГЛАВА 6. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАКЕТА МИКРОБНОГО БТЭ И ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВ БРОДИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА
ВЫВОДЫ
БЛАГОДАРНОСТИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
2,6-ДХФИФ - 2,6-дихлорфенолиндофенол
АТФ - аденозинтрифосфат
БПК - биологическое потребление кислорода
БТЭ - биотопливный элемент
БСА - бычий сывороточный альбумин
БХ - 1,4-бензохинон
ГЦФ - гексацианоферрат (III) калия Кз[Бе(С1Х)6]
ДГ - дегидрогеназа
МБТЭ - микробный биотопливный элемент МОПС - 3-морфолинопропансульфоновая кислота НАД+ - никотинамидадениндинуклеотид
НАДН - восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотида ТПЭ - твердый полимерный электролит ФАД - флавинадениндинуклеотид
ФАДН2 - восстановленная форма флавинадениндинуклеотида ЭДС - электро-движущая сила
С. охус1ат В-1280 — С1исопоЬас1ег охус1ат эибБр. тс1ш№1и$ (ВКМ В-1280)
С. охус1ат В-1227 — С1исопоЬас1ег охус1ат эиБэр. те1апо^епез (ВКМ В-1227) ОСУ - потенциал элемента при разомкнутой внешней цепи РОО - пирролохинолинхинон

катодном пространстве наряду с медиатором электронного транспорта в анодном пространстве электролитической ячейки существенно увеличивает производительность биотопливного элемента [24].
Производные Ферроцена — наиболее распространенный класс медиаторов (23% исследований по биосенсорной тематике выполняется с этим медиатором). Это обусловлено рядом причин, главными из которых являются: широкий спектр восстановительных потенциалов в зависимости от заместителей, независимость потенциала от pH и приемлемые методы синтеза различных производных.
Ферроцен (Е°= +0,17 В, pH 7.0 [59]) представляет собой л-ареновый комплекс переходного металла, который состоит из атома железа, зажатого двумя циклопентадиенильными кольцами:
С электрохимической точки зрения это классическая редокс-пара, на физические и химические свойства которой можно влиять, вводя заместитель в любое из двух колец молекулярной системы [60]. Диметилферроцен был использован в качестве гидрофобного медиатора для модификации поверхности графитовых электродов, это соединение липофильное, а его окисленная форма ограниченно растворима в водных средах. В амперометрических биосенсорах наилучшие медиаторные свойства это соединение проявляет при рабочем потенциале +0,44 В. Было показано, что ферроцен, его водорастворимые и гидрофобные производные могут служить эффективными акцепторами электронов для разных оксидоредуктаз, в том числе для РОО-ДГ [60].
К медиаторам, способным участвовать в двухэлектронном переносе относится природный мобильный компонент дыхательной цепи - убихинон (кофермент С)). Хиноны часто используют в исследованиях биосенсоров в